Способ гидроразрыва нефтяного или газового пласта с использованием расклинивающего наполнителя

Способ гидроразрыва нефтяного или газового пласта с использованием расклинивающего наполнителя

Реферат

Изобретение относится к области нефтяной промышленности, а именно к способам гидроразрыва нефтяного или газового пласта с использованием расклинивающего наполнителя, т.е. к технологиям создания трещин гидроразрыва, и может быть использовано для обработки подземных формаций, в особенности для гидравлических разрывов.

Гидроразрыв пласта - это метод, используемый для интенсификации притока из резервуара. Он заключается в нагнетании в пласт жидкости с высокой скоростью, что ведет к возникновению и распространению трещины разрыва от скважины в резервуар. Мелкие частицы, называемые пропантом, добавляются в несущую жидкость и переносятся вниз по скважине, затем через перфорации - в трещину гидроразрыва. Когда нагнетание прекращается и закачанная жидкость вытекает через стенки трещины, расклинивающий наполнитель остается внутри трещины, предотвращая ее полное закрытие. Созданный канал высокой проводимости позволяет обойти поврежденные зоны около скважины и создать большую поверхность контакта с резервуаром.

Успех операций гидроразрыва в большой степени зависит от способности несущих жидкостей поддерживать во взвешенном состоянии и переносить расклинивающий наполнитель. Перенос частиц является критическим фактором в горизонтальных и наклонных скважинах.

Поскольку плотность традиционно используемых расклинивающих наполнителей выше плотности несущей жидкости, жидкость загущается так, чтобы эффективно поддерживать расклинивающий наполнитель во взвешенном состоянии. Однако, помимо переноса расклинивающего наполнителя, вязкость жидкости влияет и на другие параметры обработки пласта, например на эффективность очистки трещины от жидкости разрыва. Требования к вязкости жидкости, связанные с эффективным переносом расклинивающего наполнителя, часто вступают в противоречие с остальными критериями операции.

Цель настоящего изобретения заключается в создании улучшенного метода обработки пласта с использованием в качестве расклинивающего наполнителя материалов ПолиДиЦиклоПентаДиен (далее полиДЦПД). Эти материалы обладают сравнительно низкой удельной плотностью и высокой прочностью на раздавливание. Частицы, изготовленные из материала полиДЦПД, легко переносятся жидкостью гидроразрыва, поскольку их плотность близка к плотности воды. Использование этих расклинивающих наполнителей особенно выгодно в тех операциях по гидроразрыву, где необходимо использование жидкостей разрыва с низкой вязкостью.

Уровень техники

Известны способы гидроразрыва нефтяного или газового пласта с использованием различных видов расклинивающих наполнителей (проппантов). Целый ряд операций по обработке скважин, например гидроразрыв, связан с нагнетанием жидкостей, содержащих частицы расклинивающего наполнителя высокой прочности. Плотность природных песков, используемых для гидравлического разрыва, составляет около 2,6 г/см³. Пески используются для пластов с напряжениями смыкания до 41 МПа. Наиболее прочные расклинивающие наполнители могут выдерживать напряжения смыкания до 103 МПа. Высокопрочные расклинивающие наполнители содержат боксит и имеют плотности около 3,6 г/см³. Плотность расклинивающих наполнителей промежуточной прочности составляет около 3,2 г/см³. Они используются для напряжений смыкания до 69 МПа. Большие усилия были направлены на создание легких керамических пропантов. В настоящее время имеющиеся на рынке легкие керамические пропанты имеют плотность около 2,7 г/см³ и могут работать при напряжениях смыкания до 55 МПа.

Возможные решения излагаются в следующих патентах:

1. WO 2007078995 А1, в данном патенте раскрыт способ заполнения трещин гидроразрыва с помощью частиц композитного расклинивающего наполнителя, состоящих из высокопрочных микропузырьков и связующего из полимерной смолы.

2. US 7281580, в данном патенте раскрыт способ создания частичного монослоя проппанта в трещине гидроразрыва с использованием пластиковых частиц высокой плотности, покрытых клеящим веществом.

Наиболее близким к заявляемому способу является способ гидравлического разрыва пласта с использованием расклинивающего наполнителя, описанный в патенте GB 2436011. В данном патенте раскрыт способ обработки подземной формации, включающий нагнетание в нефтяной пласт жидкости с высокой скоростью, добавление в жидкость расклинивающего наполнителя, причем в качестве расклинивающего наполнителя, используют наполнитель, изготовленный из полиамида, для гидроразрывов и гравийных фильтров. Основным недостатком данного способа является более низкий уровень прочности.

Сущность изобретения

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в создании простого и эффективного способа гидроразрыва нефтяного или газового пласта с использованием расклинивающего наполнителя, представляющего собой новый тип сыпучего материала, обладающего определенным уровнем прочности и химической инертностью, для обработки подземных пластов. Наполнитель обладает уникальной комбинацией таких свойств, как высокая термостойкость, высокая прочность на раздавливание и удельная плотность, близкая к единице. Использование заявляемого способа позволяет избежать применения дорогих химических добавок, обычно используемых для повышения вязкости жидкости разрыва, и, таким образом, уменьшить затраты на проведение операции, улучшить общие характеристики по безопасности и сохранению окружающей среды.

Технический результат, достигаемый при реализации заявляемого технического решения, заключается в обеспечении эффективного переноса расклинивающего наполнителя даже маловязкими жидкостями разрыва при сохранении хорошей проницаемости трещины.

Благодаря удельной плотности наполнителя, близкой к единице, выбор вязкости жидкости разрыва может быть выполнен в соответствии требованиям других параметров гидроразрыва, таких как желаемая высота трещины, ширина, эффективность очистки трещины. Хорошая проницаемость трещины обеспечивается за счет более равномерного распределения частиц наполнителя по трещине, его высокой термостойкости, высокой прочности на раздавливание.

Поставленный технический результат достигается за счет того, что в способе гидроразрыва нефтяного или газового пласта с использованием расклинивающего наполнителя, включающего нагнетание в пласт жидкости с высокой скоростью и добавление в жидкость расклинивающего наполнителя, в качестве расклинивающего наполнителя применяют материал ПолиДиЦиклоПентаДиен (полиДЦПД). При этом частицы материала полиДЦПД могут иметь различную форму, например сферическую, удлиненную, многоугольную, кубическую, могут быть выполнены в виде волокон. Наполнитель из материала полиДЦПД может быть дополнительно упрочнен с помощью заполняющего материала, например глины, или двуокиси кремния, или керамики, или волокнами.

При проведении поиска по патентной и научно-технической информации не было обнаружено решений, содержащих всей совокупности предлагаемых признаков, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого устройства критерию «новизна».

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

Настоящее изобретение относится к способу гидроразрыва нефтяного или газового пласта, включающего нагнетание в нефтяной или газовый пласт жидкости с высокой скоростью и добавление в жидкость расклинивающего наполнителя с использованием материалов полиДЦПД в качестве расклинивающего наполнителя (пропанта) для обработки подземных формаций, в особенности для гидравлических разрывов.

Расклинивающий наполнитель представляет собой легкие и высокопрочные частицы, изготовленные из полиДЦПД, которые могут быть дополнительно упрочнены подходящими заполняющими материалами, например глиной, двуокисью кремния, волокнами, керамикой и т.д. При использовании заполняющего материала его относительное содержание может составлять от 10% до 80% по весу от всей частицы.

Расклинивающие наполнители, используемые в заявляемом способе, обладают плотностью примерно в интервале от 0,95 до 2,05 г/см³. К примеру, частицы не содержащие заполняющего материала, имеют плотность от приблизительно 0,95 до приблизительно 1,03 г/см³. Прочность на раздавливание таких частиц будет находится в пределах от приблизительно 6.9 МПа до приблизительно 69 МПа. При использовании заполняющего материала, его относительное содержание может быть подобрано таким образом, чтобы достичь желаемых значений плотности и прочности всей композитной частицы.

Расклинивающие наполнители из полиДЦПД могут иметь любые размеры и любую форму в любых сочетаниях. Несферические расклинивающие наполнители могут быть удлиненными, вытянутыми частицами, многоугольными, кубическими, волокнистыми и т.д. Под «сферическими» частицими пропанта понимаются частицы, имеющие округлость по Крумбейну более 0.7 и сферичность по Крумбейну более чем 0.7. В случаях, когда частицы могут быть охарактеризованы как сферические, предпочтительно, их диаметр должен находиться в интервале от приблизительно 0.149 мм до приблизительно 2 мм. Несферические частицы должны иметь максимальный размер не более 30 мм. Такие размеры частиц делают их пригодными для обработки подземных формаций.

Расклинивающие наполнители из полиДЦПД можно упрочнять подходящими заполняющими материалами, например глиной, двуокисью кремния, волокнами, керамикой и т.д.

Материал полиДЦПД обладает прочностью на сжатие приблизительно до 60 МПа и плотностью приблизительно 0,95…1,03 г/см³. Поэтому частицы, выполненные из полиДЦПД, могут легко находиться во взвешенном состоянии и переноситься жидкостью гидроразрыва. Преимуществом является то, что низкая плотность частиц дает возможность использования менее вязких жидкостей разрыва, что обеспечивает более низкое трение при закачивании.

Заявляемый способ гидравлического разрыва пласта заключается в нагнетании в скважину суспензии, состоящей из жидкости разрыва и расклинивающего наполнителя, где хотя бы часть расклинивающего наполнителя состоит из частиц, изготовленных из материала полиДЦПД, содержащих или нет заполняющий материал. Гидравлический разрыв пласта начинается с закачки в скважину жидкости без пропанта. Жидкость закачивается со скоростью, достаточной для образования и роста в пласте хотя бы одной трещины разрыва. В определенный момент частицы расклинивающего наполнителя добавляются к жидкости. Частицы присутствуют в объемных концентрациях от примерно 0.005 до приблизительно 0.25, предпочтительно в интервале от 0.1 до 0.2. Такие объемные концентрации частиц в несущей жидкости, как известно из практики, необходимо соблюдать для успешной закачки смеси.

Одним из примеров осуществления данного изобретения является способ гидравлического разрыва пласта, где расклинивающий наполнитель состоит от 10 до 100% по весу из частиц, изготовленных из полиДЦПД, содержащих или нет заполняющий материал.

Другим примером осуществления данного изобретения является закачка смеси жидкости и пропанта в несколько стадий, где хотя бы одна стадия содержит расклинивающий наполнитель, состоящий от 10 до 100% по весу из частиц, изготовленных из полиДЦПД, содержащих или нет заполняющий материал.

Еще один пример осуществления состоит в размещении расклинивающего наполнителя, содержащего частицы, изготовленные из полиДЦПД с использованием заполняющего материала или нет, в трещине гидроразрыва для специальных целей, таких как создание барьера вертикальному росту трещины, изоляции зон повышенных утечек или намеренного создания эффекта концевого экранирования.

Смеси частиц разных размеров одинаковой формы или смеси частиц разной формы и разных размеров могут быть использованы. К примеру, полидисперсная смесь частиц сферической формы может быть выбрана для изоляции зон повышенных утечек. Удлинненные частицы могут быть использованы для намеренного создания эффекта концевого экранирования, в этом случае эффект достигается за счет известной тенденции таких частиц к сводообразованию в узких каналах.

Подходящий состав смеси частиц разной формы и размеров, а также план и объемы закачки могут быть определены квалифицированным специалистом в области гидравлического разрыва пласта. Как правило, такая работа выполняется с использованием специального программного обеспечения, к примеру FracCADE™ (Schlumberger). Такое програмное обеспечение позволяет смоделировать процесс роста трещины и переноса пропанта, что позволяет определить оптимальные объемы и скорости закачки для конкретных условий пласта с учетом ограничений, налагаемых доступным оборудованием, а также общим состоянием скважины.

В настоящий момент наиболее рапространенными жидкостями гидравлического разрыва пласта являются жидкости разрыва на водной основе. Обычно их плотность близка к плотности воды. Скорость осаждения частицы в жидкости пропорциональна разности в плотности между жидкостью и частицей и обратно пропорциональна вязкости жидкости. Так как плотность материала полиДЦПД близка к плотности воды, скорость осаждения частиц, изготовленных из полиДЦПД, незначительна.

Хорошо известно, что в малопроницаемых пластах для достижения оптимального результата по повышению отдачи необходимо создание очень длинных трещин гидравлического разрыва пласта. Преимуществом заявляемого способа является то, что скорость осаждения расклинивающего наполнителя практически незначительна, и частицы могут легко переноситься жидкостью разрыва, создавая однородное заполнение очень длинных трещин.

Незначительные скорости осаждения пропанта особенно выгодны при проведении операций по гидроразрыву в наклонных и горизонтальных скважинах. Другим преимуществом заявляемого способа является то, что выбор вязкости жидкости разрыва не диктуется соображениями переноса пропанта. Поэтому вязкость используемой жидкости может быть подобрана в соответствии требованиям других параметров гидравлического разрыва пласта, таких как желаемая высота трещины, ширина, эффективность очистки трещины.

Среди полимерных материалов полиДЦПД обладает уникальным сочетанием механических, химических и физических свойств, которое превращает его в хорошую альтернативу полиэтилену, полистиролу, стеклопластику, полиэфиру, графитовому волокну, алюминиевым сплавам и другим материалам. ПолиДЦПД отличается низкой плотностью (близкой к плотности воды); отличной комбинацией жесткости и ударопрочности; стабильностью размеров; отличной химической стойкостью в кислотах, основаниях, сырой нефти; отличной термостойкостью; легкостью механической обработки.

Для получения дополнительных сведений, подтверждающих возможность осуществления данного изобретения, были проведены следующие эксперименты. Был исследован опытный образец сферических частиц, изготовленных из материала полиДЦПД. Округлость частиц по Крумбейну составила более 0.9, сферичность по Крумбейну более 0.9. Размеры частиц находились в интервале 0.36-0.86 мм, что по фракционной номенклатуре соответствует пропанту 20/40. Насыпная плотность частиц составила 0.62±0.01 г/см³, удельная плотность 1.057±0.002. Лабораторные испытания на раздавливание показали несущественное количество раздробленных частиц после приложения нагрузкок вплоть до 69 МПа. Тесты на разбухание ПолиДЦПД в п-пентане при комнатной температуре показали менее 1% увеличения по весу после 3 месяцев контакта с растворителем. Для проведения экспериментов по проводимости пропантной упаковки исследуемые частицы были упакованы между двумя образцами песчаника Огайо с тщательным выравниваем по уровню для получения однородного заполнения. Напряжение смыкания в 6.9 МПа было приложено при комнатной температуре к упаковкам с загрузкой 0.49 и 9.8 кг/м². Измеренные значения проводимости составили, соответственно, 278 миллидарси-метр и 1938 миллидарси-метр, что является хорошими значениями проводимости. Таким образом, полученные результаты дополнительно подтверждают возможность использования таких частиц в качестве расклинивающего наполнителя.

ПолиДЦПД "Noveon" высокой чистоты производит компания "Telene®DCPD" для европейского и китайского рынков.

ПолиДЦПД "Metton® PDCPD", который в основном аналогичен материалу "Telene®" производит компания Metton America Inc. и собирается наладить его массовый выпуск в качестве альтернативы стекловолокну, дереву и металлу.

Предложение соответствует критерию «промышленная применимость», поскольку его осуществление возможно при использовании существующих средств производства с применением известных технологий.

1. Способ гидроразрыва нефтяного или газового пласта с использованием расклинивающего наполнителя, включающий нагнетание в нефтяной или газовый пласт жидкости с высокой скоростью, добавление в жидкость расклинивающего наполнителя, отличающийся тем, что в качестве расклинивающего наполнителя применяют материал полидициклопентадиен.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что частицы материала полидициклопентадиена могут иметь различную форму.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что частицы материала полидициклопентадиена могут быть удлиненными, и/или многоугольными, и/или кубическими, и/или сферическими, и/или в виде волокон.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что наполнитель из материала полидициклопентадиена может быть дополнительно упрочнен с помощью дополнительного заполняющего материала.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что дополнительный заполняющий материал может быть в виде керамики, или двуокиси кремния, или волокна.